Полупроводники n-типа

Модельные представления о механизмах образования свободных носителей заряда и зарядопереносе в примесных полупроводниках

Замечательным свойством полупроводников является их способность резко изменять свои электрические свойства в результате легирования ничтожными количествами электрически активных примесей. Такие примеси являются примесями замещения, т.е. занимают в кристаллической решётке места, предназначенные для атомов полупроводника.

При замещении атома кремния атомом элемента пятой группы (P,As,Sb), четыре из пяти его валентных электрона будут участвовать в образовании устойчивых ковалентных связей с соседними атомами кремния. Пятый электрон, не участвующий в образовании ковалентных связей с ближайшими соседями, окажется слабо связанным с атомом пятивалентного элемента. Если доля примесных атомов в полупроводнике мала, то среднее расстояние между ними велико. В этом случае примесные уровни E_D -уровни, на которых располагаются неспаренные электроны примесных атомов - оказываются локализованными и не сливаются в примесные зоны. Как показывают расчеты и эксперимент, примесные уровни для электрически активных элементов пятой группы в кремнии располагаются в запрещённой зоне на малом, по сравнению с E_g, энергетическом расстоянии от дна зоны проводимости. Например, величина (E_C – E_D) для фосфора составляет 0,044эВ, для мышьяка - 0,049эВ, для сурьмы - 0,039эВ. На энергетической зонной диаграмме такие уровни, занятые электронами, изображают короткими штрихами вблизи верхнего края запрещённой зоны - каждый штрих сопоставляют отдельному электрически нейтральному атому примеси (рис. 1.1.4). Благодаря тепловым колебаниям решётки могут произойти разрывы связей неспаренных электронов с примесными атомами, в результате чего электроны окажутся в зоне проводимости и смогут вносить вклад в электропроводность полупроводника. Такие электроны мы будем изображать кружочками с минусом внутри (см. рис. 1.1.4б). Примеси пятой группы, образующие с кремнием растворы замещения и легко отдающие неспаренные электроны в зону проводимости, называют донорами. Донорный уровень электронейтрален, когда занят электроном, и становится положительно заряженным, когда теряет неспаренный электрон (см. рис. 1.1.4б). Образующиеся положительно заряженные ионы доноров будут «прикованы» к кристаллической решётке полупроводника своими ковалентными связями и в зарядопереносе участвовать не смогут. На энергетических зонных диаграммах мы будем изображать их квадратиками с плюсом внутри. Конечно, описанному процессу будет сопутствовать генерация электронно-дырочных пар путём межзонных переходов электронов. Однако, из-за большой ширины запрещённой зоны доля образованных таким путём носителей в состоянии равновесия при низких и комнатных температурах будет оставаться малой. Если в полупроводниковом материале преобладают примеси донорного типа, то при низких и комнатных температурах концентрация электронов в зоне проводимости будет значительно больше концентрации дырок в валентной зоне. Электроны в этом случае называют основными носителями, а дырки - неосновными носителями. Сам материал называют полупроводником n-типа. При протекании тока его большая часть обусловлена движением отрицательных зарядов - свободных электронов зоны проводимости.

а)

б)

Рис.1.1.4. Образование свободных носителей заряда в кремнии n-типа: а- термоактивированный отрыв неспаренного электрона донорной примеси с переходом его в зону проводимости; б-энергетическая зонная диаграмма, иллюстрирующая образование свободных носителей заряда в полупроводнике n- типа